賽靈思Harpinder Matharu：Versal ACAP滿足下一代5G設備“新變化”

C114訊 7月2日消息（林想）在日前召開的“GSMA Thrive 5G時代”主題視頻活動中，賽靈思高級總監(jiān)Harpinder Matharu表示，隨著越來越多運營商開始進行5G部署，系統(tǒng)供應商不斷尋求各種方法解決5G部署與性能短板。此外，3GPP標準第16版即將完成，預計將引入幾項強化功能和用例。這對下一代5G系統(tǒng)的需求呈現(xiàn)出“新變化”。而賽靈思推出的Versal  ACAP是一種新型可編程SoC，旨在滿足下一代5G設備的這種“新變化”。

賽靈思高級總監(jiān)Harpinder Marharu

改進大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的“四大研發(fā)領域”

基于波束成型技術的5G NR 6GHz以下大規(guī)模MIMO系統(tǒng)已經成為全球商業(yè)5G部署的主流。

第一輪5G部署的主要用例是增強型移動寬帶應用，這是為了解決網絡中快速增長的吞吐量需求，平均每15-18個月翻一番。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可提供擴展性容量強化，并在整個片區(qū)內實現(xiàn)更一致的頻譜效率改進。仿真與場測結果表明，如果我們持續(xù)使用傳統(tǒng)的微基站對現(xiàn)有網絡進行增密，則頻譜效率并不統(tǒng)一，容量和覆蓋上限仍然存在。

然而，對于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)來說，情況并非如此，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的關鍵區(qū)別在于通過使用波束成形來調度多個用戶同時使用頻譜和頻率源的能力。與傳統(tǒng)的MIMO無線電相比，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的目標是3-5倍的性能提升。

Harpinder Singh Matharu指出，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在場測中實際情況與仿真結果并不一致。“雖然下行鏈路性能處于預期帶寬的低端，上行鏈路性能和覆蓋范圍更是低于預期。對于小區(qū)邊緣信噪比較低的UE情況尤其如此。此外，并非所有時刻都有多個用戶供系統(tǒng)調度，當小區(qū)負載較輕時，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)提供的容量難以得到充分利用。這需要調度增強特性和跨層優(yōu)化來彌補這些缺點。”

Harpinder Singh Matharu認為，改進大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的領先研發(fā)領域包括天線面板創(chuàng)新、改進波束形成管理、更好的調度算法和跨層優(yōu)化，以及跨相鄰片區(qū)的協(xié)調多點傳輸。

對天線面板的增強，可以通過自適應算法合并每個天線單元上的接收信號來提高接收信號功率。這需要對與自適應天線面板相關聯(lián)的開關電路進行充分的校準和配置，這些功能通過DFE數(shù)字設備實施。

Harpinder Singh Matharu指出，“3GPP標準第16版針列出了幾項研究，在某些情況下放寬對UE使用全功率發(fā)射的限制。例如，具有未覆蓋或部分覆蓋的天線的UE會由于預編碼器的限制，僅使用天線的子集進行發(fā)射。因此，未使用的天線和相關的PL排列會導致發(fā)射功率的損失。”

降低參考信號的峰均比 (PA/PR) 也是支持UE以全功率傳輸?shù)目紤]因素。這將有助于減少上行鏈路覆蓋問題，并在上行鏈路上支持更多空間流。當前系統(tǒng)支持的上行空間流數(shù)約為8個，但在實際應用中，很難達到所有空間流都能同時使用的場景。

更精確的信道估計、更多與信道估計相關的參考信號，以及更快的波束成形系數(shù)更新也在研究中。調度器、每個用戶的信道估計和波束管理的跨層優(yōu)化都是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)整體性能改善的主要研究領域。

“改進調度器的機器學習技術是業(yè)界提出的另一項研究課題。”Harpinder Singh Matharu表示，基站根據(jù)用戶地理位置或基于移動角度、往返時間等因素的定位維護有價值的數(shù)據(jù)集，每個用戶的歷史波束字典、信道估計和調度用戶組合�？梢允褂眠@些數(shù)據(jù)集來訓練機器模型，以準確地預測要在給定情況下調度的UE的最佳集合。這將有可能為調度器提供有價值的輸入。

綜上所述，賽靈思確立了對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)進行改進所需的一些算法與功能。有鑒于此，目前提出的許多方法顯著提高了計算需求和波束成形要求，以及額外的前端設備數(shù)量。

下一代5G設備需求呈現(xiàn)“新變化”

“隨著越來越多的運營商嘗試進行5G部署和3GPP第16版標準的準備工作，對下一代5G設備的需求因此發(fā)生了變化。”Harpinder Singh Matharu進一步指出，“下一代5G系統(tǒng)對中頻或C頻段的典型帶寬要求是400MHz瞬時帶寬，占用帶寬為200MHz。這是為了實現(xiàn)多運營商設備共享，以及減少系統(tǒng)排隊，滿足不同國家/地區(qū)的客戶需求而做的考慮。”

寬帶無線電應用方面業(yè)界也在考慮采用新功放技術，尤其是氮化鎵功放，可將功率效率再提高5-10%。這些功放系統(tǒng)的預失真線性化要復雜得多，也需要大量的計算。在實施所有這些變革的同時，必須保持頻譜的每MHz功率占用不變。對于現(xiàn)在必須支持4-5倍以上計算密度的波束成形和DFE設備來說，這是一個具有挑戰(zhàn)性的要求。

評估計算密度的一個示例是由波束成形功能入手。假設下一代5G系統(tǒng)需要支持25層空間流，那么對于100MHz的單載波下行鏈路，每秒需要1420億次復數(shù)乘法才能實現(xiàn)波束形成功能。隨著占用帶寬增加到200MHz，計算和內存需求也會翻一番。

Harpinder Singh Matharu指出，業(yè)界正在研究多種途徑來提高信道估計精度和提高波束成型系數(shù)更新的頻率。很可能一些信道估計增強和相關聯(lián)的波束速率競爭將被推送到波束成形功能。這將進一步增加對波束形成器件的計算要求。

另一項目關鍵要求便是系統(tǒng)擴展性，32T32R大規(guī)模MIMO系統(tǒng)已經成為不同部署的首選形態(tài)。對于密集的城市地區(qū)，特別是信號覆蓋高層建筑的應用，將需要64T64R大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，而16T16R或傳統(tǒng)的8T8R無線電系統(tǒng)或許足以滿足農村地區(qū)的需求。要針對所有這些規(guī)格重復使用固件、軟件和模塊，以節(jié)省成本并縮短上市時間。

Versal  ACAP滿足下一代5G設備需求

“賽靈思7nm Versal自適應計算加速平臺(ACAP)是一種新型可編程SoC，旨在滿足下一代5G設備的需求。”Harpinder Singh Matharu指出，賽靈思于2018年3月宣布推出ACAP平臺，首款器件自6月以來一直在發(fā)貨。賽靈思Versal是一種異構計算體系結構，它添加了一種稱為AI Engine的自適應智能矢量引擎來執(zhí)行波束形成和DFE功能。

據(jù)Harpinder Singh Matharu介紹，AI Engine也適用于機器學習應用。Versal系列器件具有數(shù)十到數(shù)百個AI矢量處理器，以滿足各種用例的各種計算需求。

“Versal器件中的AI矢量處理器以1GHz+時鐘頻率運行，每秒可提供32GMAC。首款出貨的Versal器件擁有400個AI處理器陣列，可在單個器件上實現(xiàn)每秒12.8TMAC的計算速度。與第一代5G基站使用的賽靈思UltraScale+器件相比，Versal將5G信號計算密度提高了5倍。同時，AI Engine支持定點和單精度浮點運算。而且與16nm的賽靈思UltraScale+器件相比，AI Engine將機器學習計算速度提高了20倍。機器學習可用于增強調度器性能。此外，每芯片面積功耗降低40%。”

賽靈思Versal平臺的編程模型、軟件工具和庫顯著提高了生產力。AI引擎本身支持C/C++編程。AI引擎用于加速計算密集型波束形成、數(shù)字前端和機器學習功能。每個AI引擎與相鄰的向量引擎共享128KB的數(shù)據(jù)內存，用于處理器間通信。人工智能引擎支持高速連接結構來源和下沉數(shù)據(jù)。

此連接結構具有DMA引擎，由軟件工具根據(jù)內核設計和布局約束自動編程。Harpinder Singh Matharu表示：“我們的多速率以太網MAC基本模塊用于有效支持多個端口的25G前端連接，具有低于納秒級的時頻。該器件支持細粒度存儲層次可編程邏輯，用于存儲流式用戶復數(shù)信號和波束成型參數(shù)。”

可選的DDR控制器支持將波束成形字典存儲在外部存儲器中。網絡芯片形成在可編程邏輯、AI引擎陣列、外部存儲器和芯片上的基本塊中的不同功能或內核之間高效傳輸數(shù)據(jù)的高速通道。片上雙核ARM A72處理器用于初始系統(tǒng)配置，系統(tǒng)啟動后，除了實時操作系統(tǒng)或Linux的控制功能外，A72處理器還可用于運行時系統(tǒng)配置。